Фамилия Кулемжин — редкий пример, когда исходное слово почти стёрлось из языка, но оставило чёткий след в модели образования. На слух она кажется «нестандартной» из-за неожиданного сочетания звуков, но на деле построена по классической русской схеме: основа + суффикс -ин. Суффикс -ин в фамилиях указывает на принадлежность: «чей?» — Кулемжин, то есть сын или потомок человека по прозвищу Кулемжа.

Самый вероятный источник прозвища Кулемжа — диалектное слово «кулема». В северных и сибирских говорах кулёмой называли неловкого, неуклюжего или медлительного человека, иногда — неряху. Слово живёт и в охотничьем жаргоне: кулёмой (или кулёмкой) зовут простую ловушку для мелкого зверя — давящий станок. В этом значении прозвище мог получить либо тот, кто мастерил такие ловушки, либо, с иронией, сам «попавшийся» и неповоротливый человек. Фонетическое изменение «кулема» → «кулемжа» — результат народной переделки: между корнем и суффиксом вставили -ж-, что встречается в русских говорах для благозвучия (ср. «ерёмный» и «ерёжник»).

Менее убедительная версия возводит основу к тюркскому «кулемес» — «смешной, забавный». Но фамилия Кулемжин нехарактерна для татарских или башкирских родов (у них типичны суффиксы -ов/-ев), а русский суффикс -ин и северное бытование слова «кулема» делают тюркскую гипотезу натянутой.

Географически фамилия рассеяна тонко: встречается в Вятской губернии (современные Кировская область, Удмуртия) и на Русском Севере — в Архангельской области. В XIX веке носители Кулемжины числились в основном государственными крестьянами, то есть лично свободными, но приписанными к казённым землям. Сословная принадлежность типична для северных фамилий на -ин, образованных от прозвищ: дворян среди них почти не бывает.

С точки зрения словообразования Кулемжин стоит в одном ряду с фамилиями Кулемин, Кулемихин, Кулёмин — все они восходят к тому же корню «кулем-». Но Кулемжин выделяется редким вставным согласным, который делает её почти уникальной: по открытым данным, на всю Россию приходится не больше нескольких сотен носителей. Встретить однофамильца за пределами двух-трёх областей маловероятно.